原创三极管原理和应用

 2014-8-13 14:54  1625 13 13 分类: 模拟文集: 基础和模拟

三极管 ——被称为“献给世界的圣诞节礼物”，带来了电子工业的革命。

三极管电路中，IB、IC和IE，都是、并且永远是从上向下流动，无论处于什么状态（放大，饱和）。
IB：VCC→R1→b→e→地；
IC：VCC→R2→c→e→地；
IE = IB + IC 。
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截止：发射结均反偏，IB、IC都很微弱。
发射结偏压的升高：ib↗、ic↗，逐步进入放大状态。
放大：发射结正偏、集电结反偏，IC = β* IB。
发射结偏压的升高，ib↗、ic↗，R2压降增大，集电极电压下降；当发射结偏压升高到一定程度，IC增大使得R2压降增大，
集电极电压下降很大，这时IC增长变缓，有些不受IB的控制了。进而，进入饱和状态。
饱和：发射结正偏、集电结由于集电极电压很低，变成正偏了。此时IC完全不受IB控制。
饱和时的IC的方向仍然是：VCC→R2→c→e→地。
饱和时的IC的大小是：(VCC － 0.3) / R2  。  此时IC完全不受IB控制，所以叫饱和。

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三极管在数字电路中可以当做开关来使用。
可以作为基极电流控制的无触点开关。
工作状态为饱和和截止状态，放大状态只是一个过渡过程。
三极管饱和相当于开关闭合，截止相当于开关断开。
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转自 http://www.eefocus.com/bbs/article_1014_188755.html

一个让人困惑的NPN型三极管IC流向问题！

这是一个让人困惑的NPN型三极管IC流向问题，说起来，还是在上大学的时候，这个问题当时的确困惑了很多人，让我们很多同学都陷入IC的流向误区。

一次课上有位同学问老师：“一个NPN型三极管饱和时两个PN结均为正偏，集电极和发射极的电子是不是都流向基极呢?集电极正偏,电子从集电区进入基区, 电流应该从基区到集电区啊,可书上IC怎么是从C到E呢? 饱和导通,IC怎么越过正偏的集电结又越过基区直接到发射区了啊？书上怎么说CE通呢？

老师说：书上说的是正确的，需要指出的是三极管不是二极管，不可以用二极管的概念套用在三极管上，这是两种内部结构完全不同的器件，需要分开来理解。
书中的确说到了集电结正偏的问题，但是不要错误的认为正偏一定就会有电流流过，对于三极管来说这是一个理解上的误区，这个意义上的正偏指的是基极的电压大于集电极的电压，而不是真正像二极管那样可以正偏了就有电流了，否则的话不加Ube反而给Ubc加电压也可以导通，集电极和发射极可以互换了，但事实是不能互换的我们知道对于三极管没有输入电流是不会有输出电流的。从半导体内部结构来说，基极电流形成是由于与发射极扩散过来的自由电子复合形成的，因此即便在饱和状态下，发射极扩散过来的自由电子仍是不断增加的，它的浓度远大于集电极仍然是可以扩散过去的，倒是集电极的空**有限无法全部复合掉，出现了一种发射有余收集不足的情况，因此在饱和状态下，从外部看来就是输入电流增大时输出电流不变且是最大值。

同学又问：
还是不太明白,饱和时集电极电位低于基极电位,电子又怎么会越集电结进去集电区?另外饱和导通到底是什么含义啊?意思是说电子直接从发射区越过基区集电结进入集电区了么?
集电区与发射区怎么导通啊?中间隔有基区和两个PN结啊

老师回答：
饱和状态是区别与放大状态的，我想放大状态你应该是知道的吧，即由输入电流Ib后输出电流Ic按Ib的β倍变化；而饱和状态下Ic是无法按β倍变化的，所以此时基极电流会大于等于集电极电流。
从载流子的角度分析就是，在放大状态下发射极的自由电子可以被集电极全部收集过来与集电极的空**复合从而形成输出电流Ic，而在饱和状态下虽然自由电子仍然可以到达集电极但是空**却是有限的不会无**满足，所以与自由电子的复合数量就是固定有限的，即输出电流不会在增大了。
之所以可以越过两个PN结和基区，这是由半导体物理特性决定的，即在PN结加正偏电压和反偏电压时分别会促进多数载流子扩散运动和少数载流子的漂移运动，三极管中的电流就是载流子运动形成的。

同学又问：
还是只懂了一半，放大与截止状态可以理解,但饱和导通状态就是不能完全理解！！！！

老师回答：
没关系这个需要点时间，主要是你的思路陷入了死胡同，其实简单的说一下它们之间特点就是截止状态下没输入电流就没输出电流，放大状态下输出电流会按输入电流的β倍变化，在饱和状态下输出电流不再会随着输入电流的增大而继续增大了，且输出电流是最大值，此时输入电流会大于输出电流，把三极管这种无法放大输入电流的状态称为饱和状态。

当时听着听着我也跟着犯糊涂，后来仔细一想原来是这样，哈哈！

NPN三极管饱和时E极的电子分别流向B极和C极，按照电流的正方向来说，就是一路从C流向E，为集电极电流；一路从B流向E，为基极电流。
NPN型三极管饱和时发射结BE为正偏，CE处于导通状态，发射极在不断发射电子，而集电极在不停吸收电子，集电结BC虽然在电压差上是处于正偏，但集电极是不会有电子流向基极的。


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模电书上讲的(均以NPN型为例):
当三极管饱和时,集电结和发射结均为正向偏置.
那么集电结上的电流方向(Ic)应为从基极流向集电极.但是实际上,当三极管作开关管时,导通的电流是从集电结流向发射极的呢?
另外从三极管的输 出特性曲线上看,当管子进入饱和区后,也确实是与放大区的电流同向(此时的纵轴为Ic横轴为Uce),只是电流的大小不同而已.
这岂不是和PN结单项导电 性不一致吗? 

通过一天的上网查询,大致找到了问题的答案.

首选我用PSPICE画了这个图.大家可以先注意一下这个电阻,10K.如果流过接近0.5mA的话,管子就饱和了. 我认为理解饱和,就先从这个电阻开始.实际应用中,即使不是电阻,也是有源负载,它的电阻值是很大的. 三极管正常放大时,集电极电流是基极电流的B倍放大.但当Ib再增加时,Ic 的增加就会导致R1上的分压增加, Q1的集电极电位迅速下降,直到Vce很小,Vbe正偏,达到饱和.饱和后Ic也就不再是Ib的B倍了,而是小于B 倍. 再从三极管结构来讲:NPN管,当发射极的电子注入(有正向的Vbe)基区,再扩散到集电结边缘.放大区工作时, 反偏的电压会把边缘的电子立刻吸引到集电极.当电流逐渐增加,反偏电压就会逐渐减小了.当Ic大到使Vcb为0时,管子进入饱和,就不再有电场吸引这些结边缘的电子了,电子只能是扩散到集电极.当Ic再增加时,Vbc就正偏了, 会阻碍电子扩散了,但因为基区电子浓度太大了,所以能够满足Ic.同时也是因为基区电子浓度大,在数字电路中,转换管子状态时,速度会很慢. CE间最主要电阻为集电极电阻,Vce的饱和压降也就近似为这个电阻ro与R1的分压. ro比R1小得多,所以这个分压基本上是0.3V附近. 我以前理解饱和总是从器件内部去想,去理解电子怎么运动,电场怎么形成,而忽略了外围的电路. 不管对饱和的定义如何:可以是两个结电压都正偏;也可以是Ic小于Ib的B倍; 或者是Ic不再随Ib的增加而增加;甚至于Ib不变,Ic会减小等,归结到一点,我认为都是因为负载分压的变化引起的.然后才是去分析器件内部电压、电子浓度、浓度梯度的变化。

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转自： http://www.icsmar.com/news/10/5228.html

NPN晶体三极管一旦饱和导通时，集电极电流IC为什么还从集电区流过基区到达发射区，其方向与放大时一致呢

NPN晶体三极管一旦饱和导通时，集电极电流IC为什么还从集电区流过基区到达发射区，其方向与放大时一致呢？

【相关知识】：晶体三极管的基本结构，集电区、基区、发射区的特点，载流子浓度梯度的分布。

【解题方法】：从器件的物理结构和制作工艺的要求上来帮助理解。

【解答过程】：晶体三极管由N-P-N（或P-N-P）三个区组成，从而形成两个PN结，如图所示。

图E4a20131002-01Z NPN型晶体三极管的结构简图以及电路符号

为实现电流放大作用，在结构上要求集电区N的面积最大，且多子—电子的浓度最低；发射区N的面积次之，而多数载流子—电子的浓度最高；基区P的宽度要窄，多子—空穴的浓度较低。

大家知道，晶体管进入饱和状态后，集电结JC和发射结JE都变为正偏。此时，两个PN结都要进行多数载流子的扩散运动，集电区的电子向基区扩散，发射区的电子也向基区扩散，由于发射区多子浓度远高于集电区，所以扩散后在基区形成的电子浓度梯度就不一样了，如图1所示。

图E4a20131002-03Z NPN晶体三极管饱和工作时基区电子浓度分布

①线表示发射区多子电子扩散进入基区后的电子浓度分布；②线表示集电区多子扩散进入基区后的电子浓度分布；③线表示在基区的电子总浓度分布曲线；

由于发射区的多子—电子浓度最高，所以扩散进入基区后，电子浓度梯度也最大（①线），集电区多子浓度低，扩散后进入基区的电子浓度梯度也低（②线）。

当晶体管工作在放大状态时，集电结JC是反向偏置的，发射区的多子电子（也称非平衡载流子）扩散进入基区后，除极少部分和基区的空穴复合形成基极电流外，绝大部分将继续扩散，一旦到达集电结附近时，在JC反偏电场作用下，就立刻漂移到集电区，成为外电路集电极电流中的一大部分，所以，晶体三极管工作在放大区时，在集电结的边缘是不可能有电子的积累的。